Java I – Vorlesung 1 Einführung in Java

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Java I – Vorlesung 1 Einführung in Java

Alexander Koller

koller@coli.uni-sb.de

26.4.2004

Problem – Algorithmus – Programm Programmiersprachen

Warum Java?

Unser erstes Java-Programm

Organisatorisches

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2 1. Einführung in Java

Java I, Sommer 2004

Was heißt „Programmieren“?

◆

Programmierer will ein Problem auf systematische Weise lösen.

◆

Ein Algorithmus ist eine abstrakte, detaillierte Berechnungsvorschrift, die das Problem löst.

◆

Ein Programm ist eine Darstellung des Algorithmus in einer konkreten

Programmiersprache.

◆

Ein Programm kann mit verschiedenen

Eingaben ausgeführt werden.

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Java I, Sommer 2004

Einige Probleme

◆

Berechnung von arithmetischen Funktionen

◆

Was ist der kürzeste Weg in einem Graphen?

◆

Computerlinguistische Probleme: Dialog mit einem Menschen führen; grammatische

Analyse

◆

Wie komme ich vom Bett in die Uni?

– Teilproblem: Anziehen

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Java I, Sommer 2004

Algorithmen

◆

„Kochrezepte“, die Schritt für Schritt

beschreiben, wie das Problem gelöst wird.

◆

Funktionieren für alle Eingaben, die das Problem vorsieht.

◆

Müssen in endlich vielen Schritten fertig werden.

◆

Granularität der Einzelschritte hängt davon ab, was ein Mensch als offensichtliche

Schritte akzeptiert.

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Java I, Sommer 2004

Ein Algorithmus fürs Anziehen

◆

Gehe zum Kleiderschrank.

◆

Nimm eine frische Unterhose.

◆

Stecke die Beine durch die Löcher.

◆

Nimm ein frisches T-Shirt.

◆

Stecke Kopf und Arme durch die passenden Löcher.

...

◆

Binde den rechten Schuh.

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Java I, Sommer 2004

Ein Algorithmus für „Größte Zahl“

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

◆

Merke dir die erste Zahl in L als aktuelle größte Zahl.

◆

Gehe der Reihe nach durch die 2-te bis n-te Zahl in L. Wenn die aktuelle Zahl größer als die bisherige größte ist, merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller

Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

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Java I, Sommer 2004

Programme

◆

Sind konkrete Implementierungen eines Algorithmus in einer Programmiersprache (z.B. Java).

◆

Verwenden Konstruktionen der

Programmiersprache, um intuitive Begriffe

präzise zu machen (z.B. Schleifen, Variablen).

◆

Einzelne Schritte hängen von

Programmiersprache und verfügbaren

Funktionen ab.

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Java I, Sommer 2004

Ein Algorithmus für „Größte Zahl“

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

◆

Merke dir die erste Zahl in L als aktuelle größte Zahl.

◆

Gehe der Reihe nach durch die 2-te bis n-te Zahl in L. Wenn die aktuelle Zahl größer als die bisherige größte ist, merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller

Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

◆

Gehe der Reihe nach durch die 2-te bis n-te Zahl in L. Wenn die aktuelle Zahl größer als die bisherige größte ist, merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller

Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

◆

Gehe der Reihe nach durch die 2-te bis n-te Zahl in L. Wenn die aktuelle Zahl größer als die bisherige größte ist, merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

Variable Zuweisung

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ )

Wenn die aktuelle Zahl größer als die bisherige größte ist, merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller

Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ )

Wenn die aktuelle Zahl größer als die bisherige größte ist, merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

Schleife

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller

Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

merke dir die aktuelle als die neue größte Zahl.

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

Bedingung

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

max = L[i];

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller

Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

max = L[i];

◆

Der gemerkte Wert nach Ansehen aller Zahlen in L ist die echte größte Zahl in L.

Zuweisung

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int groessteZahl(int[] L) { int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

max = L[i];

return max;

}

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

int groessteZahl(int[] L) { int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

max = L[i];

return max;

}

Rückgabewert der Methode

Methode Argumente

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

class GroessteZahl {

int groessteZahl(int[] L) { int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

max = L[i];

return max;

}

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Java I, Sommer 2004

„Größte Zahl“-Algorithmus als Java-Programm

Gegeben eine Liste L von n natürlichen Zahlen; gesucht ist die größte Zahl in L.

class GroessteZahl {

int groessteZahl(int[] L) { int max = L[0];

for( int i = 1; i < L.length; i++ ) if( L[i] > max )

max = L[i];

return max;

} }

Klasse

Vorsicht: Wir haben den Spezialfall missachtet, bei

dem die Liste leer ist!

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Java I, Sommer 2004

Effiziente Algorithmen

◆

Manche Algorithmen lösen ein Problem effizienter (mit weniger Zeit- oder

Speicherverbrauch) als andere.

◆

Beispiel: Finde die zwei größten Zahlen in L.

◆

Algorithmus 1: Verwende zwei Variablen, um die aktuell beiden größten Zahlen zu speichern.

◆

Algorithmus 2: Berechne zunächst die größte Zahl; dann lösche sie aus L und berechne

nochmal die größte Zahl.

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Java I, Sommer 2004

Programmiersprachen

◆

Es gibt eine sehr breite Auswahl an verschiedenen Programmiersprachen.

◆

CPU versteht sehr eingeschränkten

Befehlssatz, der für Menschen unbequem ist.

◆

Programmiersprachen verbergen Komplexität und stellen abstraktere Konstrukte zur

Verfügung.

◆

Verfolgen verschiedene Ziele; unterstützen verschiedene Programmierstile; haben

verschiedene Vor- und Nachteile.

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Java I, Sommer 2004

Imperativ vs. funktional vs. deklarativ

◆

Imperativ: Programme sind Sequenzen von Anweisungen. (Algol, Fortran, C, C++, Java)

◆

Funktional: Programme sind mathematische Funktionen, die aus einfacheren Funktionen zusammengesetzt sind (SML, Lisp, Haskell)

◆

Deklarativ: Programme sind logische Formeln, die das Problem spezifizieren;

Programmiersystem kümmert sich um

eigentliche Berechnung (Prolog)

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Java I, Sommer 2004

Prozedural vs. objektorientiert

◆

Prozedural: Die wesentliche

Gliederungseinheit des Programms ist die Prozedur, d.h. Gruppe von Anweisungen (C, SML)

◆

Objektorientiert: Die wesentliche

Gliederungseinheit ist die Klasse, d.h.

Repräsentation eines Objekts mit Sammlung

von Methoden (Java, C++, Smalltalk)

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Java I, Sommer 2004

Interpretiert vs. kompiliert

◆

Programmiersprachen sind dafür da, dass

Menschen Algorithmen bequem aufschreiben können.

◆

Programm-Quelltexte können nicht direkt vom Computer ausgeführt werden.

◆

Zu einer Programmiersprache gehört deshalb Software, die Programme für Computer

ausführbar macht.

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Java I, Sommer 2004

Interpretation

◆

Interpreter sind Programme, die den Quelltext Anweisung für Anweisung ausführen. Beliebt z.B. für Skriptsprachen wie Perl.

Betriebssystem / CPU Interpreter

Programm-Quelltext

Eingaben

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Java I, Sommer 2004

Kompilation

◆

Compiler sind Programme, die den Quelltext in ein direkt ausführbares Maschinenprogramm übersetzen. Beliebt z.B. für C, C++ usw.

Betriebssystem / CPU Compiler

Programm-Quelltext

Kompiliertes Programm

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Java I, Sommer 2004

Kompilation

◆

Compiler sind Programme, die den Quelltext in ein direkt ausführbares Maschinenprogramm übersetzen. Beliebt z.B. für C, C++ usw.

Betriebssystem / CPU Compiler

Programm-Quelltext

Kompiliertes Programm Eingaben

Compile-Zeit Laufzeit

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Java I, Sommer 2004

Interpretation vs. Kompilation

◆

Interpretation ist viel langsamer, da Interpreter selbst Rechenzeit verbraucht. Compiler

wendet einmal Zeit bei der Kompilation auf, danach sehr effizienter Programmablauf.

◆

Ein kompiliertes Programm läuft nur auf einer einzigen Plattform (Betriebssystem + CPU).

Quelltext muss daher auf neuen Plattformen

neu kompiliert werden (Portierung). Das ist oft

problematisch.

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Java I, Sommer 2004

Virtuelle Maschinen

◆

In Java wird der Quelltext zunächst in Bytecode

kompiliert; dieser wird von einer virtuellen Maschine interpretiert oder weiter ("just in time") kompiliert.

Betriebssystem / CPU Compiler

Programm-Quelltext

Java-Bytecode

Eingaben

Java Virtual Machine (JVM)

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Java I, Sommer 2004

Die Java-Plattform

http://java.sun.com/

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Java I, Sommer 2004

Geschichte von Java

◆

Seit 1995 verfügbar.

◆

Ursprünglich von Sun entwickelt als Plattform für Home Entertainment.

◆

Zunächst v.a. als Internet-Plattform verkauft.

◆

Heute für alle möglichen Anwendungen sehr weit verbreitete Sprache.

◆

Syntax basiert auf C/C++, aber viele

objektorientierte Konzepte etwas anders als in

C++ umgesetzt.

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Java I, Sommer 2004

Warum Java?

◆

Portabilität: Ein (in Bytecode) kompiliertes Programm kann ohne Änderung auf

verschiedenen Betriebssystemen ausgeführt werden. „Java-Plattform“.

◆

Objektorientierung: Unterstützt

Modularisierung und Wiederverwendbarkeit von Programmcode.

◆

Statische Typisierung: Compiler kann viele

Programmierfehler abfangen.

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Java I, Sommer 2004

Warum Java?

◆

Mächtige Standardbibliothek: Standard- Installation von Java enthält viele nützliche Klassen.

◆

Effizienz: Moderne Java-Systeme kommen in die Nähe von C++-Implementierungen.

◆

Sicherheit: Kann verhindern, dass Programme Schaden anrichten.

◆

Weit verbreitet: Daher Zugriff auf Programme

vieler anderer Programmierer.

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Java I, Sommer 2004

Unser erstes Java-Programm

class HelloWorld {

public static void main(String[] args) { System.out.println("Hallo Welt!");

} }

Definiere die Klasse HelloWorld in der Datei

HelloWorld.java:

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Java I, Sommer 2004

Unser erstes Java-Programm

class HelloWorld {

public static void main(String[] args) { System.out.println("Hallo Welt!");

} }

Definiere die Klasse HelloWorld in der Datei

HelloWorld.java: _Klasse Hauptprogramm

Kommandozeilen -Argumente

Anweisungen

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Java I, Sommer 2004

Wie führt man ein Java-Programm aus?

[koller@cicero]$ javac HelloWorld.java

◆

Kompiliert Quelltext in HelloWorld.java in Bytecode und schreibt das Ergebnis in die Datei HelloWorld.class.

[koller@cicero]$ java HelloWorld

◆

Lädt den Bytecode für die Klasse HelloWorld

aus der Datei HelloWorld.class und führt ihn

auf der virtuellen Maschine aus.

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Java I, Sommer 2004

Literatur

◆

Einschlägige Literatur:

– Java-Bücher von Sun

– O'Reilly („... in a nutshell“) – und viele andere

◆

Die meisten Sun-Bücher sind online zugänglich:

http://java.sun.com/docs/books/

◆

Java-Tutorial:

http://java.sun.com/docs/books/tutorial/

(39)

Java I, Sommer 2004

Zusammenfassung

◆

Algorithmen lösen Probleme; Programme implementieren Algorithmen in einer

konkreten Programmiersprache.

◆

Es gibt viele Programmiersprachen. Java zeichnet sich v.a. durch Portabilität,

Objektorientierung und weite Verbreitung aus.

◆

Zweistufiger Prozess: Erst Kompilation in

Bytecode, dann Ausführen von Bytecode auf

virtueller Maschine.

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Java I, Sommer 2004

Organisatorisches

◆

Wöchentliche Übungen (wichtig!) in Teams von max. drei Studenten.

◆

Jeder Student muss Programmcode selbst kommentieren und in der Lage sein, seine Übung zu erklären.

◆

Voraussetzung zur Klausurzulassung sind 50% der Punkte in den Übungen.

◆

Klausur am Ende des Semesters

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Java I, Sommer 2004

Termin Übungsgruppen

◆

Problem: Finde eine hinreichende Anzahl von Übungsterminen, so dass möglichst wenige Studenten zu keinem der Termine Zeit haben.

◆

Wir verwenden jetzt folgenden Algorithmus:

Finde zunächst Termin, bei dem die meisten Zeit haben; finde dann Termin, bei dem von den übrigen die meisten Zeit haben.

◆